CC BY
3Исследование качества конструкций из модифицированных строительных материалов
со см о см
со
о ш т
X
<
т о х
X
Павленко Павел Владиславович
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры строительной механики ФГАОУ ВО «Российский университет транспорта» (МИИТ), pvpav8@mail.ru
В статье рассмотрены различные способы модификации древесины и проанализированы исследования, посвященные оценке динамике качественных показателей древесины после модификации. Отмечается, что древесина обнаруживает существенные отличия от иных видов строительных материалов, изготовленных искусственно и имеющих более гомогенный химический состав и однородные физические параметры. Сделан вывод о том, что вопрос об оптимальной методологии измерения качества древесины остается открытым и одним из наиболее дискуссионных в соответствующем сегменте научного массива. Как показал анализ научной литературы в исследуемой нами предметной области, неразрушающие методики изучены мало и имеют существенные ограничения в применения. Ключевые слова: модифицированные строительные материалы, модифицированная древесина, оценка качества, древесина, химическая обработка, термохимическая обработка
Древесина - один из наиболее востребованных материалов в мире. При этом следует сказать, что необработанный древесный материал является довольно изменчивым, нестабильным и подвержен множеству деструктивных воздействий. К примеру, в ситуациях применения древесины как основного материала несущих и ограждающих конструкций она подвергается воздействию влаги, плесени, УФ-облучения, повышенных и пониженных температур, механическому динамическому и статическому воздействию. Все это существенно ухудшает физико-механические свойства древесины. Тем не менее, в связи с доступностью данного ресурса, низкой стоимостью и возобновляемостью как природного ресурса древесина продолжает сохранять статус одного из наиболее распространенных строительных материалов. В данной связи, с целью повышения эксплуатационных свойств древесного волокна, были разработаны различные методы модификации дерева [7, с. 84].
Можно предположить, что в будущем российскими и зарубежными исследователями будет представлено еще много способов модификации древесины, особенно при учете роста спроса на деревянные жилища и тенденции экологизации в дизайне интерьеров.
Помимо модификации древесины, исследователи предпринимают попытки композиционного сочетания дерева с иными материалами - металлом, эпоксидной смолой и проч. К примеру, одним из высокоэффективным методов повышения качества древесины В. А. Кондратюк с соавт. называет метод нагнетания в полость пиломатериала мелкодисперсной металлической пыли с последующим прокатом и подачей в матрицу, где пластифицированный материал формируется в брус и подвергается воздействию токов сверхвысокой частоты [8, с. 96].
Целью подобных разработок выступает создание высокопрочного строительного материала с заранее заданными параметрами и легко прогнозируемыми прочностными показателями. Подобная древесина может быть использована не только в отделке, но и в качестве строительных конструкций ответственных и напряженных узлов сооружений и конструкций.
Необходимость модификации древесины, отмечает А. А. Аксенов с соавт., обусловлена тем, что древесина представляет собой сложное химическое вещество органической природы, клеточная оболочка которого содержит большое количество веществ; основную массу из них составляют целлюлоза (доля которой, в зависимости от породы дерева и периода сбора материала, составляет от 42 до 58%), лигнин (21-29%), гексозаны и пентозаны (13-40%) [1, с. 132].
Подобная специфика существенно отличает древесину от иных видов строительных материалов, изготовленных искусственно и имеющих более гомогенный химический состав и однородные физические параметры. Кроме того, данное обстоятельство существенно осложняет вопрос измерения параметров древесины - как
натуральной, так и модифицированной. Как справедливо указывает А. А. Аксенов, с позиции механики твёрдого тела древесина не есть цельная формация - она, скорее, представляет собой «совокупность конструктивных элементов с наполнителем в виде сложного с химической точки зрения вещества» [1, с. 132].
Можно сказать, что вопрос об оптимальной методологии измерения качества древесины и конструкций, изготовленных из нее, остается открытым и одним из наиболее дискуссионных в соответствующем сегменте научного массива. Ведется поиск унифицированного алгоритма определения качества конструкций, изготовленных из модифицированной древесины, но, как показывает практика текущих экспериментов, применение единого метода едва ли возможно - способы измерения и расчет существенно варьируются для разных типов модифицированных материалов, для разных модификаторов, для разных типов конструкций и даже для разных типов пород. Кроме того, методология должна учитывать особенности климата, где эта конструкция локализируется; С. В. Федосов, В. Г. Котлов и М. А. Иванова, к примеру, говорят о необходимости применения особых методологий проверки работоспособности деревянных конструкций при эксплуатации в среде с циклически изменяющимися температурно-влажностными условиями, причем в таком климате имеет значение, помимо прочих, фактор сезона, в который проводится измерения (влажный - сухой) [12].
Особые методы исследования качества конструкций из модифицированной древесины применяют и при изучении свойств древесины мягких лиственных пород (липы, каштана, березы, ольхи, осины и проч.). В немо-дифицированном виде подобный материал обладает рядом существенных недостатков, ограничивающих возможности ее применение - даже в декоративных целях. Мягкая древесина растрескивается при иссыхании, она непрочна, обладает пониженными уровнями твердости и износостойкости. Возможности, открытые новыми способами модификации древесного волокна, позволяют использовать мягкие породы - к примеру, в напольных покрытиях жилых и административных зданий. По результатам существующих исследований (к примеру, Л. В. Игнатович с соавт. [б]), модификация мягкой древесины позволяет существенно улучшить ее качество, особенно в плане стабильности геометрических параметров, уровней твердости и износостойкости [6, с. 260].
Наиболее распространенной группой методов модификации древесины выступает химическая модификация - обработка древесины полимерами и химическими веществами [Киселева, с. 84]. Кроме того, применяются также методы термохимического модифицирования древесины, в ходе которого осуществляется пропитка смолами, мономерами или олигомерами, сушка и отверждение пропиточного состава. В качестве пропиточного состава применяются фенолформальдегидные, полиэфирные, карбамидные, фурановые, акриловые, кремний-органические и иные смолы, мономеры и олиго-меры. Такие составы обладают невысоким уровнем вязкости, что позволяет им проникать глубоко в структуру дерева. Все это, в свою очередь, приводит к выводу о проблеме сохранения экологичности древесины. Как известно, древесину в качестве строительного или отделочного материала предпочитают из-за ее экологических свойств; модификация древесины химическими пропитками, при этом, способна снизить экологичность
материала до нуля и, более того, сделать древесину вредной для здоровья человека и окружающей среды. В данной связи возникает необходимость разработки методологий, позволяющих определить уровень экологичности химически-модифицированной древесины - в плане содержания вредных веществ в помещении, во временной динамике - выделение вредных веществ спустя 1, 5, 10, 20 лет, в плане рисков распада веществ в конце жизненного цикла конструкций, а также расчет показателей выделения токсичных веществ при утилизации таких древесных конструкций [6, с. 261]. Кроме того, требуется методология расчета, которая детерминирует характер корреляции между параметрами концентрации химикатов в пропитке и качеством конструкции (в целях использования минимальных концентраций при строительстве).
Как показывает практика, специальные методологии, измеряющие вышеперечисленные параметры, отсутствуют, в связи с чем они не измеряются в принципе, либо измеряются стандартными методиками (к примеру, указанными в Приказе Минстроя России от 26.10.2017 N 1484/пр «Об утверждении методики расчета совокупного выделения в воздух внутренней среды помещений химических веществ с учетом совместного использования строительных материалов, применяемых в проектируемом объекте капитального строительства»). При этом до сих пор не было проведено исследований в отношении динамических показателей выделения веществ в окружающую среды во временном разрезе - спустя годы после эксплуатации деревяной конструкции.
Качество конструкций из модифицированной древесины может быть оценено посредством измерения глубины проникновения составов в древесное волокно. На сегодняшний день доступны частично разрушающие и разрушающие способы. В качестве частично разрушающего способа применяется метод точечного отбора пробы в виде керна диаметром 4-6 мм. При разрушающем способе выполняется поперечный распил по сечению.
И. Г. Федосенко предлагает осуществлять контроль глубины проникновения состава в древесину посредством проявления проб по ВСН 57-88(р) - их обработки индикаторами. Состав вступает в реакцию с веществом-индикатором, окрашиваясь и демонстрируя границу (глубину) проникновения состава. Такой метод может быть использован в тех случаях, когда состав сам по себе не обладает насыщенным цветом - в противном случае в проявителях нет необходимости [11, с. 143]. Данный метод для проверки готовых конструкций используется относительно редко по причине необходимости нанесения повреждений древесного полотна; кроме того, как указывает И. Г. Федосенко, на российских производствах, «глубина пропитки лишь прогнозируется исходя из поглощения древесиной защитного средства, однако этого недостаточно для выходного контроля продукции» [11, с. 143].
Все вышесказанное актуализирует проблему поиска неразрушающих методов изучения глубины проникновения химических составов в древесину. Как показывает анализ новейшей научной литературы в исследуемой нами предметной области, неразрушающие методики изучены мало и имеют существенные ограничения в применения. Одной из подобных методик является ультразвуковая томография, посредством которой контролируется древесина цилиндрической формы (бревна). В
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м «
fO CN О
cs pi
о
Ш
m
X
3
<
m о x
X
российской практике точечное применение находит, в частности, аппарат Arbotom, работающий на основе приемников ультразвуковых колебаний, локализируемый на поперечном срезе цилиндра. Аппарат позволяет идентифицировать скрытые дефекты и равномерность распределения влаги в древесном массиве (влага и дефекты препятствуют распространению звуковых волн -так, собственно, и работает данный прибор). Косвенно два данных показателя могут указывать на локализацию пропиточной жидкости в структуре древесины. Недостатками данной методологии являются следующие: ограничения по форме древесного материала (цилиндрические бревна, цельная порода) и возможность произведения замеров только в одной плоскости сечения, что приводит к трудоемкости измерений [11, с. 143].
Более эффективным методом контроля пропитыва-емости выступает магнитно-резонансная томография, однако ее существенным недостатком является дороговизна и невозможность проведения замеров готовых конструкций «на месте» (используется только в производственных условиях и поэтому чаще применяется для анализа древесного материала, а не готовых конструкций). Тем не менее, МРТ позволяет выполнить трехмерную визуализацию деревянной конструкции. Как и в ситуации с вышеописанным акустическим методом, получение данных о характере распределения пропитки в древесине возможно только сразу после процедуры модификации (до высыхания) [11, с. 143]. Таким образом, на сегодняшний момент действенной неразрушающей методологии определения глубины проникновения химиката в древесную конструкцию пока не представлено.
По мнению Э. Э. Пауля и А. В. Козела, важнейшей качественной характеристикой модифицированной древесины выступает ее твердость. Как правило, процедура определения уровня твердости древесной конструкции довольно проста и не требует особого оборудования. Определив твердость древесины и сопоставив ее с референсными значениями немодифицированной древесины мы можем получить показатели, указывающие на улучшение качества материала за счет повышения твердости. Один из подобных методов представлен, помимо прочих, в стандарте ГОСТ 16483.17-81 «Метод определения статической твердости древесины» - его сущность заключается в погружении стального пуансона в древесину на заданную глубину и вычислении статической твердости - отношения величины нагрузки к площади проекции полученного отпечатка [9, с. 236]. Данная методология не лишена недостатков: во-первых, она имеет разрушающий характер, вследствие чего не может быть использована для проверки готовых «чистовых» конструкций, во-вторых, некоторые породы модифицированной древесины имеют повышенную плотность, в связи с чем погружение пуансона в них приводит к раскалыванию древесного полотна и разрушению образца.
ГОСТ в данном случае содержит предписание о том, что заглублять пуансон следует не на глубину 5,64 мм, а на глубину 2,82 мм (что, соответственно, приводит к коррекции соответствующей формулы для расчета). Э. Э. Пауль и А. В. Козел отмечают также одно дополнительное обстоятельство, снижающее эффективность описанной методики. Речь идет о том, что разработчики вышеотмеченного стандарта исходят из того, что сопротивление древесины внедрению пуансона и прилагаемая нагрузка для преодоления данного сопротивления,
а также площадь проекции получаемого при вдавливании отпечатка возрастают пропорционально уровню заглубления. Исследователи провели расчеты и эксперименты, согласно которым соображения о наличии подобной корреляции не вполне корректны. Исследование показало, что зависимость между заглублением пуансона и нагрузкой, требуемой для этого, не является линейной, а имеет вид характерных кривых; более того, показатели твердости древесины существенно различаются для разных поверхностей древесины и ее влаж-ностных состояний [9, с. 236].
О. А. Киселева и В. П. Ярцев, изучающие параметры древесины, модифицированной серой, парафином и керосином, указывают на необходимость применения нескольких методик - только так можно получить целостное представление о состоянии древесного полотна. В качестве базовых испытаний древесину, по мнению авторов, следует подвергать проверкам на поперечный изгиб, скалывание, водопоглощение и разбухание. Испытания на поперечный изгиб и скалывание авторы проводили посредством разрывной машины ИР-5057. Кроме того, доказано, что наиболее действенным методом модификации выступает сочетание химических и физических способов: к примеру пропитка составом + температурное воздействие. Отмечается, что УФ-облучение оказывает положительное влияние на прочностные свойства древесины, модифицированной химическими составами [7, с. 84]. Особенно ценными нам представляются выводы авторов о времени проведения контроля качества древесины. В частности, в течение первых 10 часов после модификации древесины химическими средствами и термообработки прочность дерева повышается на 20%, в течение последующих 20 часов происходит резкое снижение прочности, после чего следует повторно облучить древесину, что в течение следующих 100 часов повысит прочность до 120 % от первоначального значения. Следовательно, итоговые замеры целесообразно производить только по окончании полного цикла модификации и выжидания достаточно длительного периода стабилизации параметров дерева [7, с. 84].
Л. В. Игнатович с соавт. указывают, что сложность разработки единой комплексной методологии определения качества конструкций, изготовленных из модифицированной древесины, обусловлена колоссальным множеством параметров, которые варьируются в зависимости от (1) модификатора; (2) типа древесной породы; (3) типа конструкции; (4) текущих параметров окружающей среды (температура, влажность, внешние статические и динамические нагрузки и проч.). Качество конструкции из модифицированной древесины определяется видом модифицирующего состава, временем экспозиции модификатора, качества модификации, технологических режимов получения материала. Авторы приходят к выводу о том, что перед научным сообществом «возникает многокритериальная задача определения качества объектов, к которым относится и модифицированная древесина. Такая задача характеризуется набором частных критериев, она достаточна сложна и не всегда имеет решение» [6, с. 264]. При этом вырабатывать отдельную методику каждый раз при проверке новой конструкции, естественно, не представляется возможным. Следовательно, нужно следовать некоему единому алгоритму оценки качества конструкции, которые бы позволил учесть максимальное количество параметров и факто-
5. Ермоченков, М. Г. Изменение прочностных свойств древесины при термическом модифицировании / М. Г. Ермоченков, А. Г. Евстигнеев // Вестник МГУЛ -Лесной вестник. - 2018. - №1. - С. 94-99.
6. Игнатович, Л. В. Оптимизация технологических параметров термохимического модифицирования древесины мягких лиственных пород с целью получения максимального обобщенного критерия оценки качества физико-механических свойств / Л. В. Игнатович, В. В. Ту-лейко, А. С. Чуйков, С. С. Утгоф // Труды БГТУ. Серия 1: Лесное хозяйство, природопользование и переработка возобновляемых ресурсов. - 2021. - №2 (246). - С. 260267.
7. Киселева, О. А. Повышение долговечности и водостойкости древесины / О. А. Киселева, В. П. Ярцев // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2007. - №4. - С. 8486.
8. Кондратюк, В. А. Модифицированный строительный брус / В. А. Кондратюк, И. В. Воскобойников, В. М. Щелоков, В. Н. Петров // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2012. - №8 (91). - С. 96-99.
9. Пауль, Э. Э. Методические особенности определения твердости древесины / Э. Э. Пауль, А. В. Козел // Труды БГТУ. Серия 1: Лесное хозяйство, природопользование и переработка возобновляемых ресурсов. -2014. - №1 (165). - С. 235-237.
10. Степина, И. В. Термодеструкция в атмосфере азота древесины сосны, модифицированной боразот-ными соединениями / И. В. Степина, И. А. Котлярова, Е. М. Мясоедов, В. И. Сидоров // Химия растительного сырья. - 2013. - №3. - С. 83-90.
11. Федосенко, И. Г. Оценка качества определения глубины проникновения в древесину защитных средств / И. Г. Федосенко // Труды БГТУ. №2. Лесная и деревообрабатывающая промышленность. - 2015. - №2 (175). - С. 142-145.
12. Федосов, С. В. Причины снижения работоспособности деревянных конструкций при эксплуатации в среде с циклически изменяющимися температурно-влажностными условиями / С. В. Федосов, В. Г. Котлов, М. А. Иванова // Жилищное строительство. - 2017. -№12. - С. 20-25.
ров. В качестве решения данной проблемы вышеотме-ченные авторы предлагают использовать методику суммирования коэффициентов. Метод обобщенного критерия, представленный авторами, позволяет производить оценку качества объекта по одному критерию. Выражение для обобщенного критерия представляет собой сумму показателей отдельных частных критериев (твердость, глубина пропитки и проч. стандартные показатели), умноженных на весовые критерии, указывающие на вес каждого из показателей. По нашему мнению, слабым местом подобной методики является необходимость прибегания к методу экспертной оценки для определения весового коэффициента. Тем не менее, методика расчета позволяет представлять несколько сценариев оценки: «пессимистический», «компромиссный» и «оптимистический».
М. Г. Ермоченков с соавт., в свою очередь, говорят о наличии двух ключевых векторов в описании качества модифицированной древесины: методы математической механики и методы, рассматривающие параметры древесины «как кинетический процесс, связанный с атомарно-молекулярным строением». Объектом изучения коллектива исследователей стал термофлуктуацион-ный процесс, развивающийся вследствие теплового движения атомов. Разрушение твердого тела при механическом нагружении рассматривается как протекающий во времени последовательный разрыв межатомных связей. Целесообразно в данной связи применять известные в науке формулы, увязывающие долговечность, напряжение и абсолютную температуру [5, с. 95].
Безусловно, исследования, посвященные методикам оценки качества модифицированное древесины, не исчерпываются вышеописанными. Большой интерес представляют методы испытаний на трение и износ [2, с. 82], измерения уровня термодеструкции [10], оценки гидрофобных свойств обработанной древесины [3, с. 17], [4], влияния электромагнитных колебаний на пластификацию древесины [1, с. 134] и проч. На данный момент, к сожалению, приходится констатировать отсутствие универсальной недорогостоящей неразрушающей методики оценки качества конструкций из модифицированной древесины; тем не менее, интерес исследователей к данному вопросу позволяет предположить внедрение в производственную практику новых методик и выработку новых формул, которые смогут разрешить данную проблему в краткосрочной перспективе.
Литература
1. Аксенов, А. А. Модифицирование древесины микроволновой энергией / А. А. Аксенов, С. В. Малюков, А.
B. Городилов // Resour Терпок. - 2021. - №1. - С. 125139.
2. Губанова, Н. В. Антифрикционные свойства нано-композитов на основе модифицированной древесины / Н. В. Губанова // Лесотехнический журнал. - 2013. - №3 (11). - С. 82-89.
3. Дмитренков, А. И. Использование олеиновой кислоты для модификации и защиты древесины / А. И. Дмитренков, С. С. Никулин, О. Н. Филимонова, Н. С. Никулина // Лесотехнический журнал. - 2013. - №2 (10). -
C. 13-20.
4. Дмитренков, А. И. Свойства древесины, обработанной раствором модифицированной нефтеполимер-ной смолы / А. И. Дмитренков, О. Н. Филимонова, С. С. Никулин // Лесотехнический журнал. - 2011. - №4. - С. 7-10.
Research of the quality of structures from modified building materials Pavlenko P.V.
Russian University of Transport JEL classification: L61, L74, R53
X X
о го А с.
X
го m
о
с.
ю
2 О M
со
The article discusses various methods of wood modification and analyzes studies on the assessment of the dynamics of wood quality indicators after modification. It is noted that wood reveals significant differences from other types of building materials made artificially and having a more homogeneous chemical composition and uniform physical parameters. It is concluded that the question of the optimal methodology for measuring the quality of wood remains open and one of the most controversial in the corresponding segment of the scientific array. As the analysis of scientific literature in the subject area we are studying has shown, nondestructive techniques have been studied little and have significant limitations in their application. Keywords: modified building materials, modified wood, quality assessment,
wood, chemical processing, thermochemical treatment References
1. Aksenov, A. A., Malyukov, S. V., Gorodilov, A. V. Wood modification by
microwave energy, Resour. Technol.. - 2021. - №1. - S. 125-139.
2. Gubanova, N.V. Antifriction properties of nanocomposites based on
modified wood / N.V. Gubanova // Forestry journal. - 2013. - No. 3 (11). -S. 82-89.
3. Dmitrenkov A. I., Nikulin S. S., Filimonova O. N., Nikulina N. S. The use of
oleic acid for wood modification and protection / A. I. Dmitrenkov, N. S. Nikulina // Lesotechnical journal. - 2013. - No. 2 (10). - S. 13-20.
4. Dmitrenkov, A. I., Filimonova, O. N., and Nikulin, S. S., Properties of wood
treated with a solution of modified petroleum resin, Forestry Engineering Journal. - 2011. - No. 4. - P. 7-10.
5. Ermochenkov, M. G. Change in the strength properties of wood during
thermal modification / M. G. Ermochenkov, A. G. Evstigneev // Vestnik MGUL - Forest Bulletin. - 2018. - No. 1. - S. 94-99.
6. Ignatovich, L. V. Optimization of technological parameters of thermochemical modification of soft hardwood in order to obtain the maximum generalized criterion for assessing the quality of physical and mechanical properties / L. V. Ignatovich, V. V. Tuleiko, A. S. Chuikov, S. S. Utgof // Proceedings of BSTU. Series 1 : Forestry, nature management and processing of renewable resources. - 2021. - No. 2 (246). - S. 260267.
7. Kiseleva, O. A. Increased durability and water resistance of wood / O. A.
Kiseleva, V. P. Yartsev // Vestnik MGUL - Forest Bulletin. - 2007. - No. 4. - S. 84-86.
8. Kondratyuk, V. A. Modified building timber / V. A. Kondratyuk, I. V.
Voskoboinikov, V. M. Shchelokov, V. N. Petrov // Vestnik MGUL - Forest Bulletin. - 2012. - No. 8 (91). - S. 96-99.
9. Paul, E. E. Methodological features of determining the hardness of wood /
E. E. Paul, A. V. Kozel // Proceedings of BSTU. Series 1: Forestry, nature management and processing of renewable resources. - 2014. - No. 1 (165). - S. 235-237.
10. Stepina I. V., Kotlyarova I. A., Myasoedov E. M., Sidorov V. I. Thermodestruction in nitrogen atmosphere of pine wood modified with boron nitrogen compounds // Chemistry of vegetable raw materials. -2013. - No. 3. - S. 83-90.
11. Fedosenko, I. G. Evaluation of the quality of determining the depth of penetration into wood of protective agents / I. G. Fedosenko // Proceedings of BSTU. No. 2. Forestry and woodworking industry. - 2015. - No. 2 (175). - S. 142-145.
12. Fedosov, S. V., Kotlov, V. G., Ivanova, M. A. Reasons for the decrease in the efficiency of wooden structures during operation in an environment with cyclically changing temperature and humidity conditions, Housing Construction. - 2017. - No. 12. - S. 20-25.
fO CN O
es fï
o m m x
3
<
m o x
X
